质子治疗中基于双探头PET系统的蒙特卡罗模拟模型实验验证与亚毫米级精度范围验证研究

本文推荐：本研究通过GATE平台建立蒙特卡罗（MC）模拟框架，结合双探头PET（DHPET）系统，系统评估了三种核反应截面模型（GEANT4 QGSP_BIC、EXFOR和NDS数据集）在质子范围验证中的性能。实验证实，更新后的NDS截面数据使β+活度分布与实测数据最佳匹配，范围预测精度达亚毫米级（±1 mm），为临床质子治疗（Proton Therapy）的实时质量保证提供了可靠工具。

　　

Highlight
双探头PET实验配置
在台湾高雄长庚纪念医院（KCGMH）进行的质子束实验中，双探头PET（DHPET）系统（滨松光子学株式会社）被安装在旋转机架端口，检测区域中心与机架等中心对齐。每个探测器头包含36个模块，每个模块由11×10阵列的锗酸铋（BGO）晶体组成。

质子剂量验证
图3(a)显示，基于GATE和RayStation（RS）计算的单能质子束（70–210 MeV）深度-剂量曲线高度一致。GATE模拟遵循第2.2节的参数调谐，而RS结果来自临床部署模型。低能质子束因射程较短，其布拉格峰（Bragg Peak）位置偏差更显著，但整体差异控制在±0.2 mm内。

核模型间的范围预测差异
在聚乙烯（HDPE）和凝胶-水模型中，不同核截面模型表现出显著差异：NDS和EXFOR在HDPE中预测精度达1 mm内，而QGSP_BIC低估远端范围2–4 mm；但在凝胶-水模型中，QGSP_BIC反而因活度拖尾效应提供了更优的远端范围估计。

结论
本研究成功构建了基于GATE的DHPET质子范围验证流程，证实NDS截面数据在活度分布匹配中表现最优，而QGSP_BIC在特定场景下具有独特优势。亚毫米级精度的实现为临床质子治疗实时监测奠定了技术基础。

CRediT作者贡献声明
方静莉：验证、软件、方法论；何孟伟：资源、实验支持；高钦楠：文稿撰写、数据分析；江启舜：课题设计；林欣汉：论文修订、项目管理；黄英彦&林坤如：资金支持；陈方欣：数据采集。

利益冲突声明
作者声明无财务或个人利益冲突。

致谢
感谢台湾科技部（111-2221-E-182-008-MY3等）及长庚医院（CMRPD1P0121）的资助，以及Sumitomo重工业的技术支持。